Z-FFT变换在站内轨道信号解调中的应用 - 全文

 

　　提出了基于Z-FFT变换解调站内ZPW-2000A轨道电路信号，实现站内闭环电码化机车信号的实时检测。该设计以双路TMS320F2812的DSP为硬件核心，双路DSP同时经过Z-FFT变换解调出低频和栽频信号，通过DSI的SPI口实时对解调出的信息进行比较，提高了系统的可靠性。

　　1 系统的整体工作原理

　　车站闭环电码化系统由电码化发送设备、传输通道、电码化检测设备和道旁单元等构成，如图1所示。发送设备将叠加的ZPW-2000A轨道电路信号和25 Hz相敏轨道电路信号通过传输通道发送到轨面，控制列车安全运行。检测设备通过传输通道，采集轨面的叠加信号，并与解调前的ZPW-2000A轨道电路低频和载频信号进行比较，并把检测后的信息传给联锁设备和维护终端，若不一致，给出报警信息。

　　

 

　　2 车站闭环电码化检测设备的实现

　　车站闭环电码化检测设备的主要功能是轨道电路信号解调。下面介绍解调的硬件和软件实现。

　　2.1 硬件实现

　　硬件实现总体框图如图2所示。采用了TI的TMS32F2812处理芯片，主频达150 MHz，时钟周期为6.67 ns，SPI串口;两个16 kbit SARAM模块。由于Z-FFT变换中存储的数据量比较大，内部SRAM不能满足要求，外扩了两块 SRAM(CY7C1901 AV3.3)，CYTC1901Av3.3是一款16Mbit的高速静态RAM，工作电压位3.3 V与DSP的端口工作电压一致，最大访问时间10 ns。同时由于内部A/D采样误差较大，为提高系统频率的分辨率用外部A/D进行信号采样。AD7865是一款快速、低功耗、4通道、14位同时采样模数转换器，输入电压范围为±10 V、±5 V或±2.5 V，且输入有过压保护。硬件电路采用双路DSP解调站内轨道电路信号，提高系统的可靠性。

　　

 

　　2.2 算法实现

　　由于FSK信号是带通信号，为了提高系统的分辨率用欠采样技术和Z-FFT变换实现信号的解调。

　　2.2.1 欠采样分析

　　根据Nyquist带通信号采样定律，欠采样的频率满足式(1)和式(2)。

　　

 

　　其中，K为频率偏移常数，频带B=(fh-fl)/2;fh为带通信号的上边频;fl为带通信号下变频。

　　根据上述分析可得出ZPW-2000A轨道电路载频频率和采样频率对应如表1所示。

　　

 

　　2.2.2 Z-FFT分析

　　图3为Z-FFT工作原理框图。

　　

 

　　Z-FFT就是把感兴趣的频谱进行细化，具体的工作步骤为：

　　(1)将感兴趣的的信号频谱进行搬移，将fl搬移到零点，fh搬移到fh-fl。

　　(2)根据感兴趣的信号频谱带宽设计一个低通数字滤波器，低通数字滤波器的截止频率应大约fh-fl，小于重载采样频率的1/2。

　　(3)对已经缩小范围的信号，进行重新采样，每隔K(K

　　(4)FFT变换。

　　图4和图5是站内闭环ZPW-2000A轨道电路信息频率细化前后的频谱图，载频为1700Hz，低频为10.3Hz。

　　

 

　　3 软件流程图实现

　　由于Z-FFT算法中FFF变换的长度为4 096，要对TI提供的1024点的FFT算法库作修改，改成4 096点的FFT变换。

　　

 

　　4 数据分析

　　站内闭环电码化ZPW-2000轨道电路信号检测解调数据如表2所示。

　　

 

　　从表2的数据可以看出，载频的分频分辨率<0.3 Hz，低频的频率分辨率<0.15 Hz，均满足相关规定。

　　5 结束语

　　本设计是对站内闭环电码化ZPW-2000A轨道电路信号检测解调，实现站内轨道电路的闭环检测，保证列车在站内安全运行。同时在设计中采用了双机热备，满足铁道部规定的故障导向安全的要求。